南京大学固体微结构物理国家重点实验室、物理学院王振林教授、詹鹏、香港中文大学（深圳）解碧野团队在《Physical Review Letters》发表重要研究成果，首次在高阶拓扑光子晶体中实现具有规范可调特性的大面积均匀非局域拓扑模式。该模式在手征对称性与多空间依赖狄拉克质量项的共同作用下涌现，呈现大区域均匀分布、子晶格锁定与零能钉扎特征，且内部相位具备连续可调的规范自由度，在不损失拓扑保护的前提下可实现可控重构。实验在二维光子晶体中成功观测到该模式，理论与测量高度吻合，为兼具大面积模场与鲁棒拓扑特性的光学器件设计提供了全新路径。高阶拓扑系统通常支持呈指数局域的角态，其模场面积缺乏可调自由度，难以满足光与物质相互作用、拓扑激光等应用对大面积单模腔的需求。尽管基于狄拉克点的大模场方案可实现大面积模式，却缺乏对称性保护的拓扑鲁棒性。如何在高阶拓扑系统中同时实现大面积、拓扑保护、均匀分布且相位可控的光学模式，成为拓扑光子学领域的关键科学问题。
该研究从含多独立狄拉克质量项的低能有效哈密顿量出发，在保持手征对称性的条件下，将沿正交方向空间调制的质量项引入体系，在畴壁交界区域构建延展的无质量界面，使传统局域角态转变为大面积均匀非局域模式。理论表明，该模式的波函数在无质量区域内保持均匀分布，能量被钉扎在零能点，且不随体系尺寸变化。通过规范变换，可在保持拓扑保护的前提下对模式内部相位进行连续调控，实现规范可控的拓扑模场。
研究进一步构建紧束缚模型，对比四方晶格与四极绝缘体体系，发现四极绝缘体可在狄拉克点处打开完全带隙，使零能拓扑模式与体态充分分离，实现光谱纯净的单模行为。通过调节无质量区域的层数，可精准控制模式面积，模式始终保持零能钉扎与子晶格锁定特征，且在强无序扰动下仍保持稳定，验证其优异的鲁棒性。
在光子晶体实验中，团队设计基于受限米氏共振与负耦合的四极拓扑光子晶体，通过调控介质柱与金属十字结构的几何参数，实现不同区域狄拉克质量的独立控制，构造四层无质量区域的复合结构。实验在 13.784 GHz 频率处观测到目标大面积高阶拓扑单模，场分布呈现子晶格锁定与均匀延展特征，与全波模拟高度一致。随着无质量区域层数增加，模式频率保持稳定，与理论预测完全相符。
该工作突破传统高阶拓扑角态的局域化限制，首次实现兼具大面积均匀分布、拓扑保护、规范可调的光子模式，建立了多狄拉克质量调控与手征对称性保护的高阶拓扑新机理。成果可直接应用于拓扑微腔、大面积拓扑激光、鲁棒光信息传输等核心场景，为拓扑光子器件从局域态走向延展态提供了关键实验与理论支撑。
点击底部阅读原文直达论文首页
温馨提示：
欢迎投稿，烦请添加“molstio”。
商务（广告）合作请后台留言。
我们致力于保护作者权益，如有版权问题请与我们联系。
